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Fasern mit Farbwechsel Damit das Sicherungsseil nicht zur Zerreißprobe wird

Autor / Redakteur: Cornelia Zogg / Christian Lüttmann

Ein Seil, das durch seine Farbe anzeigt, ob es ausgetauscht werden muss – dieses Ziel verfolgen Forscher der Empa und der ETH Zürich. Mit einer speziellen Beschichtung machen sie durch Farbwechsel sichtbar, wenn ein Sicherungsseil z.B. der Feuerwehr besonders hohen Temperaturen ausgesetzt war. Denn selbst Spezialseile können dann in weiteren Einsätzen mitunter nicht mehr ihre ursprüngliche Stabilität liefern.

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Seile werden in unterschiedlichen Bereichen zur Sicherung genutzt: bei Feuerwehr- und Rettungseinsätzen ebenso wie auf Baustellen und im Bergsport.
Seile werden in unterschiedlichen Bereichen zur Sicherung genutzt: bei Feuerwehr- und Rettungseinsätzen ebenso wie auf Baustellen und im Bergsport.
(Bild: gemeinfrei, Patrick Hendry / Unsplash)

Dübendorf/Schweiz, Zürich/Schweiz – Ob beim Klettern in der Steilwand oder beim Feuerwehreinsatz im brennenden Gebäude: Sicherheitsseile müssen in den entscheidenden Momenten halten. Doch bei zu hoher Belastung, etwa durch sehr große Hitze, kann es im Seil zu strukturellen Schäden kommen. Diese sind unmöglich mit dem bloßen Auge zu erkennen, können aber dazu führen, dass das Seil bei erneuter Beanspruchung endgültig reißt.

Im Zweifel muss das Seil vorzeitig ausgetauscht werden, um Sicherheitsrisiken zu minimieren. Forscher der Empa und der ETH Zürich haben nun eine Beschichtung entwickelt, die durch Hitze dauerhaft ihre Farbe wechselt und so anzeigt, ob ein Seil auch zukünftig noch die Sicherheit bietet, die es verspricht. Bis zur praktischen Anwendung muss allerdings noch die Haltbarkeit der Beschichtung selbst verbessert werden.

Drei Schichten für temperaturabhängigen Farbumschlag

Ein speziell beschichtetes Polyester-Filament vor (l.) und nach dem Hitzetest bei 150 °C. Der Farbwechsel von blau nach weiß zeigt, dass die Sicherheit des Produktes nicht mehr gewährleistet ist.
Ein speziell beschichtetes Polyester-Filament vor (l.) und nach dem Hitzetest bei 150 °C. Der Farbwechsel von blau nach weiß zeigt, dass die Sicherheit des Produktes nicht mehr gewährleistet ist.
(Bild: Empa)

Damit die Faser bei Hitze ihre Farbe verändert, sind drei Schichten nötig. Auf die Faser selbst bringen die Forscher Silber auf. Dieses dient als Reflektor, also als metallische Basisschicht. Dann folgt eine Zwischenschicht aus Titan-Stickoxid, die dafür sorgt, dass das Silber stabil bleibt. Als drittes folgt jene amorphe Schicht, die für die Farbveränderung sorgt: Eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur – lediglich 20 Nanometer dick. Wird diese Schicht erhöhten Temperaturen ausgesetzt, kristallisiert sie und verändert ihre Farbe von blau nach weißlich.

Der Farbumschlag basiert auf einem physikalischen Phänomen, der so genannten Interferenz. Dabei treffen zwei unterschiedliche Wellen (z.B. Licht) aufeinander und verstärken sich beziehungsweise schwächen sich gegenseitig ab. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der temperatursensitiven Schicht, lässt sich diese Farbveränderung auf einen Temperaturbereich zwischen 100 und 400 °C einstellen. Wenn Materialtests beispielsweise eine Temperaturbeständigkeit des Seils bis 180 °C garantieren, kann man den Farbumschlag bei bzw. leicht unter dieser Temperatur einstellen. So zeigt er an, wenn das Seil zu hohen Temperaturen ausgesetzt war und dadurch evtl. strukturelle Schäden erlitten hat, die bei einem erneuten Einsatz zum Reißen führen könnten.

Viele Anwendungsgebiete – und ein letztes Problem

Neben Sicherheitsausrüstung für Feuerwehrleute oder Bergsteiger lassen sich die Fasern auch für Lastseile in Produktionsstätten, auf Baustellen usw. nutzen. Die Forschung am Thema ist aber noch längst nicht abgeschlossen. So lassen sich die Fasern zurzeit noch nicht über längere Zeiträume lagern, ohne ihre Funktionalität zu verlieren. „Leider oxidieren die Phase-Change-Materialien im Verlauf von einigen Monaten“, sagt Dr. Dirk Hegemann von der Empa-Abteilung Advances Fibers. Das bedeutet, dass der entsprechende Phasenwechsel – die Kristallisation – selbst bei Hitze nicht mehr stattfindet und das Seil somit seine Funktion als Warnsignal verliert.

Dass das Prinzip an sich funktioniert, ist also bewiesen, nur die Haltbarkeit muss noch erreicht werden. Dann könnten sich die Fasern auf verschiedene Anwendungsgebiete hin optimieren lassen. Die Forscher suchen nun nach Partnern in der Industrie, um die Entwicklung weiter voranzutreiben.

* C. Zogg, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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